全站仪进行三角高程测量的方法
摘 要：随着全站仪的广泛使用，使用跟踪杆配合全站仪测量高的方法越来越普及，使用传统的三角高程测量方法已经显示出了他的局限性。经过长期摸索，总结出一种新的方法进行三角高程测量。这种方法既结合了水准测量的任一置站的特点，又减少了三角高程的误差来源，同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高。使三角高程测量精度进一步提高，施测速度更快。
三角高程测量是采用经纬仪和测距仪测定两点间的竖直角和距离，按三角学原理，计算两点间的高差，该方法是一种间接测高法，它不受地形起伏的限制，且施测速度较快，尤其是随着全站仪的出现，及其测角、测距精度的不断提高，该法更是被广泛应用于地形图测绘、管网工程等工程测量中，但它也有其缺点，就是精度较低，尤其每次测量时都需量取仪器高和棱镜高，比较麻烦，且增加了误差来源。
全站仪上半部分包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。
微处理机(CPU)是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列(缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器)、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置(接口)，输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。
电磁波测距按载波来分，采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪;采用光波作为载波的称为光电测距仪。光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源(普通光源已淘汰)，采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。
欲测定A、B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间t已知，则距离D可由下式求出：
传播速度会随大气的温度和气压而变化，15℃和760mmHg是仪器设置的一个标准值，此时的大气改正为0ppm。实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值(也可直接输入大气改正值)，并对测距结果进行改正。
首先我们假设A，B两点相距不太远，可以将水准面看成水准面，也不考虑大气折光的影响。为了确定高差hAB，可在A点架设全站仪，在B点架设棱镜，观测垂直角αAB，并直接量取仪器高i和棱镜高t，若A，B两点间的水平距离为D，则hAB=V+i-t故：
HB=HA+DtanαAB+i-t(2)
这就是三角高程测量的基本公式，但它是以水平面为基准面和视线成直线为前提的。因此，只有当A，B两点间的距离很短时，才比较准确。当A，B两点距离较远时，就必须考虑地球弯曲和大气折光的影响了。其改正的公式为D2/2R，D为观测平距，R为地球曲率半径。这里不论述公式的推理过程，只就三角高程测量新法的一般原理进行阐述。
(1)采用测角2″级的全站仪进行观测，控制施测距离，尽量控制测距边长在300m以内，最大也不要超过400m。
(2)地球曲率和大气折光的影响
近地面大气层的密度分布一般随离开地面的高度而变化，也就是说，近地面大气层的密度存在着梯度。因此，光线通过在不断按梯度变化的大气层时，会引起折射系数的不断变化，导致视线成为一条各点具有不同曲率的曲线，在垂直方向产生弯曲，并且弯向密度较大的一方，这种现象叫做大气垂直折光。
用全站仪进行三角高程测量时，可以设置大气折光系数K(一般取0.12)，仪器自动对地球曲率及大气折光的影响进行改正。如果把视距控制在500m左右，前后视距差在3m之内，影响可以忽略不计。
(3)棱镜沉降、仪器沉降、棱镜倾斜的影响
与水准测量类似，用全站仪代替水准仪进行高程测量时同样存在棱镜沉降、仪器沉降的影响，观测时必须采取一定的措施来减弱或消除。
棱镜倾斜的影响与水准测量时水准尺的倾斜相似，只要仔细检验对中杆上的圆水准气泡，在立杆时保证气泡居中就可以减弱此影响。
(4)竖直度盘指标差的影响
水准测量时主要存在i角误差的影响，为了消除i角误差对水准测量的影响一般要求前后视距相等。用全站仪观测时，类似的误差是竖直度盘指标差，如果只用正镜或倒镜观测，该项误差的影响不容忽视。但是只要采用正倒镜观测，就可以抵消指标差的影响。
(5)垂直轴倾斜误差的影响
全站仪能够进行垂直轴倾斜的自动补偿，并且补偿后的精度能达到0.1″，影响甚微。因此，垂直轴倾斜误差的影响可以忽略不计。
(6)垂线偏差的影响
在山区和丘陵地区用全站仪代替水准仪进行高程测量有显著的优点。但由于垂线偏差的变化较大，使得测点之间所观测的高差不等于这两点之间的正常高高差。因此，必须加垂线偏差改正。
(7)电磁场对三角高程测量的影响
在国民经济建设中敷设大功率、超高压输电线，目的是为了使电能通过空中电线或地下电缆向远距离输送。根据研究发现输电线经过的地带所产生的电磁场，对全站仪视线位置的正确性有系统性的影响，并与电流强度有关。输电线所形成的电磁场对平行于电磁场和正交于电磁场的视线将有不同影响。在设计三角高程控制路线时，必须考虑到通过大功率、超高压输电线附近的视线直线性所发生的重大变形。
文/《中华民居旬刊》, 2014(30)
整理：陈柳林
审核：高冲
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